一种砂岩地层立井冻结施工安全监控方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及砂岩地层立井冻结施工领域，具体设及一种砂岩地层立井冻结施工安 全监控方法。
【背景技术】
[0002] 随着社会经济发展和人民生活水平的进一步提高，我国的能源需求量逐年上升。 传统能源不仅关系到国家经济的长远发展，还牵设到国家的政治安全。目前，我国煤炭资源 在不可恢复类能源消费结构中所占比重仍达60%左右，且在未来一定时期内运种局面仍将 不会发生根本改变。尽管我国为了治理环境污染而采取新的环保政策，原煤生产将得到一 定的压缩和控制，但煤炭作为我国主要能源的局面发生根本性变化的可能性很小。为确保 我国煤炭资源战略安全，在部分老旧矿区煤源逐渐枯竭、大量小煤矿逐渐关停的情况下，适 时、适地建设一批新的大型、特大型矿井仍然很有必要。
[0003] 随着煤炭资源开采深度的不断增加，其生产规模也在不断扩大，矿井工程地质条 件也愈加复杂，岩爆与冲击地压剧增、巷道围岩变形严重、瓦斯积聚度骤升、突水灾害频繁 发生W及采场失稳破坏程度日益增大等问题W的出现对矿山建设工程技术和安全生产都 提出了更高的要求。如陕西彬长、山东巨野及安徽顾桥等矿区都具有冲积层厚、井筒深、井 型大、水文地质条件恶劣及施工技术难度高的显著特点，严重影响运些矿井井筒的正常掘 进和采煤工作的安全进行。因此，必须采用一些特殊防治措施。目前，在松散不稳定含水地 层或在涌水量很大的稳定裂隙岩层中，通常采用围岩加固、堵水、超前支护或大型钻机进行 施工，采用的主要施工方法包括压力注浆、冻结施工、帷幕法及降低水位法等。其中，冻结 法凿井技术具有适应性广、施工灵活、安全高效等优点。
[0004] 然而，立井冻结工程建设规模的迅速扩大导致新的实际问题不断出现，许多理论 研究滞后于工程实际的需要。因此，需要在施工过程中提高信息化程度，遇到问题或安全隐 患及时改进设计或优化施工方案，运样才能确保工程安全。从20世纪80年代W来，尽管我国 的冻结凿井实践起步较早，特别是在特厚冲积层冻结凿井理论和实践方面取得的成果和成 功经验更远超于其他国家，但针对西部白聖系地层特别是洛河组砂岩地层立井冻结方面的 研究成果还十分有限。同时，与其他一些国家相比，在对凿井设备、监控技术及施工风险管 理和灾害控制技术等冻结凿井的核屯、问题的研究方面差距较大。
[0005] 冻结法凿井技术发展至今，现在面临着挑战600-700m井深，甚至超过1000 m的艰巨 挑战。地层深度越来越大，且开凿通过的地层条件也越来越复杂，使得冻结法凿井过程中的 安全风险越来越高，原本不曾遇到的问题也越来越多，亟需新的理论来指导工程施工。例 如：原有的弹塑性理论计算公式的适用范围不断缩小、一些特殊地层中的冻结壁厚度需要 采用新的理论重新确定;冻结施工信息的无法预先得知而导致突发问题频繁出现;针对特 殊地层中可能出现的施工风险缺乏系统的综合评价模型。
[0006] 随着井筒深度的增加，地质条件越来越复杂，在深厚软岩地层特别是在洛河组砂 岩地层中冻结管断裂问题频繁发生，情况严重时会导致冻结施工无法进行甚至淹井事故的 发生，危及工程安全，产生较大的社会和经济损失。此外，冻结壁设计厚度和掘进段高的设 计不合理导致冻结壁变形过大甚至井壁开裂等问题，严重制约着冻结施工的安全高效进 行，同时，也给冻结施工的风险管理和灾害控制技术带来了较大的难题。如何尽可能将施工 风险降低到最低限度，及时发现问题及时解决，成为目前富水软岩地层立井冻结施工需要 解决的核屯、问题之一。在深厚洛河组砂岩地层中采用冻结法开凿井筒时，由于针对性的施 工经验不足，无法通过工程类比来确定冻结壁稳定性、形成规律、平均溫度W及井筒掘进段 高等参数。综上所述，有必要开展施工安全评价W期为洛河组砂岩地层立井冻结施工安全 高效进行提供理论依据。
【发明内容】
[0007] 为解决上述问题，本发明提供了一种砂岩地层立井冻结施工安全监控方法。
[0008] 为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
[0009] -种砂岩地层立井冻结施工安全监控方法，包括如下步骤：
[0010] S1、确定因素集:影响评判对象的各个因素构成风险因素集U，可表示为：
[0011] U={Ui} = {Ul，U2...，Un}
[001^ 式中，U功若干影响因素；
[0013] S2、确定评价集:对各因素进行评判后得到风险评价集V，可表示为：
[0014] V={vj} = (Vl，V2，...，Vm)
[001引式中= I，2，一m)为评判结果，通过模糊综合评判，能够从评价集V中获得一 个最佳的评判结果；
[0016] S3、权重集的建立:确定单位权值，并对确定的权值进行统计：
[0017] 将
的个数A记在第j行上，如第1行第5列的数值为32,表示有32个人认为第 1个因素比第5个因素重要；
[001引将每一行上的数值相加得SA，然后求级差，令I： Amax对应的W = 10，I： Amin对应的W =1，则级差为：
[0020] 求权值Wi:
[0022] S4、单因素模糊综合评价：
[0023] 设评价集中第j个元素 Vj的隶属程度为ru，则评判因素集中第i个因素 Ui的单因素 评判集为：
[0024] R=(rii,ri2,--- ,Tin)
[0025] 式中，R为评价集V上的模糊子集；
[0026] 在此基础上，得到R评判矩阵，即：
[0028] S5、确定模糊合成算子:该模型采用W下算法： ",
[0029] = v(0"八 V)，（ k=l，2,…P; 1=1，2,…m)
[0030] S6、模糊综合评判：
[0031 ]确定因素权重集A和评判矩阵R后，即可得到模糊综合评判集B，即：
[0033] 式中也(j = l，2,…m)为评判对象对评价集V中第j个元素的隶属度。
[0034] S7、评价指标分析：
[00对得到隶属度bj后，利用最大隶属度法，即把max (bj)相对应的评价集Vj作为最终的 评判结果，对于一个确定的复杂系统，其影响因素往往可分成若干层次，为继续求出目标层 的综合评价，必须进行多级模糊综合评判。
[0036]其中，还包括冻结壁最大位移的回归计算，通过W下公式获得：
[0038] 式中:Um为冻结壁最大径向位移值(cm);D为冻结壁厚度(m) ;hd为开挖段高度(m) ;d 为开挖直径(m); T为冻结壁平均溫度rC); e为自然对数的底数。
[0039] 本发明还确定了冻结壁厚度D与掘进段高hd的拟合公式为：
[0040] D = 0.0 597hd^+0.0616hd^-〇. 0909hd+0.7159；
[0041] 冻结壁厚度D与段高暴露时间t(min)的拟合公式为：
[0042] D = -2.16t^+3.24t^+6.66t+l. 0381 ；
[0043] 冻结壁厚度D与径向变形量u(mm)的拟合公式为：
[0044] 0 = 399.29U-1'"机；
[0045] 冻结壁厚度D与平均溫度绝对值Tp的拟合公式为：
[0046] D = -0.03737；3+1.30517；2-19.1057；+61.682。
[0047] 本发明具有W下有益效果：
[0048] 根据冻结壁粘弹塑性理论，建立了洛河组砂岩地层冻结壁厚度与各影响因素的回 归拟合计算公式；同时，考虑洛河组砂岩地层冻结壁溫度和厚度、井筒掘进段高及地下水渗 流等因素对冻结壁受力和变形的影响，采用数值模拟方法，分析得出洛河组砂岩地层冻结 壁最大径向位移计算公式，为洛河组砂岩地层立井冻结壁稳定性研究提供了一定的理论支 撑;在对工程施工常用安全评价方法分析的基础上，采用模糊数学理论，考虑冻结岩石强 度、冻结壁厚度、冻结溫度、井筒掘进段高、地下水渗流、冻结地层压力、冻结管偏斜及停电 时间等主要风险影响因素，提出了洛河组砂岩地层立井冻结施工安全综合评判方法，对降 低建井成本、提高施工速度和丰富我国冻结凿井理论等方面都具有一定的理论和现实意 义。
【具体实施方式】
[0049] 为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，W下结合实施例对本发明进行进一步 详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用W解释本发明，并不用于限定本发 明。
[0050] 本发明实施例提供了一种砂岩地层立井冻结施工安全监控方法，包括如下步骤：
[0051] S1、确定因素集:影响评判对象的各个因素构成风险因素集U，可表示为：
[0化2] U=化 i}=化1，化...，Un}
[0053] 式中，Ui为若干影响因素；
[0054] S2、确定评价集:对各因素进行评判后得到风险评价集V，可表示为：
[0055] V={vj} = (Vl，V2，...，Vm)
[0056] 式中，V^j = I，2,…m)为评判结果，通过模糊综合评判，能